4 УМП МООЦСС Лаб практ 2010
.pdf
|
Формула (3.5) также эмпирическая и получена при условии, что i-ый |
||||||||
канал |
демультиплексора будет вносить |
|
|
|
|
|
|
|
|
переходную помеху в соседний канал не |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
||
больше чем -25 Дб. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Вывод |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Таким образом, для того чтобы |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
программно рассчитать демультиплексор |
|
|
|
|
|
|
|
на |
|
основе фильтров Фабри-Перро необхо- |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
димо: |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
1. |
Исходя из частотного плана ITU-T, |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
выбрать центральные частоты ин- |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
формационных каналов (λi) и число |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
каналов (n). |
|
|
|
|
|
|
|
|
2. |
Вычислить для каждого фильтра |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
показатель преломления резонатора |
|
|
|
|
|
|
|
|
3. |
(ni),. |
|
|
|
|
|
|
|
|
Вычислить для каждого фильтра |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
4. |
длину резонатора LFP,i. |
|
|
|
|
|
|
|
|
Оценить коэффициент отражения |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
зеркал резонаторов RFP по формуле |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
(3.5). |
|
|
|
|
|
|
|
|
5. |
Определить для фильтров значения |
Рисунок 3.5 – Блок-схема по- |
|||||||
|
полосы пропускания Δλ. |
строения демультиплексора на |
|||||||
6. |
Варьируя значения RFP и LFP,i, до- |
||||||||
|
биться, чтобы максимальная пере- |
основе фильтров Фабри-Перро. |
|||||||
ходная помеха Pmax, была не больше чем заданная в техническом задании
(P0).
Данную последовательность действий поясняет блок-схема на рисунке
3.5.
71
4. Рекомендации по выполнению работы
4.1.Расчётное задание
1.Согласно своему варианту задания, из таблицы 1 получить исходные данные для расчёта демультиплексора.
2.По таблице ITU-T найти число каналов n и центральные частоты λi.
|
Таблица 4.1 – |
Исходные данные для выполнения работы |
||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Параметры |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Вариант |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
1 |
|
|
|
2 |
|
|
|
3 |
|
|
4 |
|
|
5 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Диапазон |
|
1528,77 нм – |
|
|
|
1528,77 нм – |
|
|
1546,12 нм – |
|
1539,77 нм – |
|
1535,82 нм – |
||||
|
длин волн* |
|
1532,68 нм |
|
|
|
1536,61 нм |
|
|
1554,13 нм |
|
1549,32 нм |
|
1538,98 нм |
||||
|
fk, ГГц |
100 |
|
|
200 |
|
|
400 |
|
200 |
|
100 |
|
|||||
|
P0 (Дб)** |
20 |
|
|
22 |
|
|
25 |
|
26 |
|
22 |
|
|||||
|
Тип [И.Ф]*** |
|
В.Р. |
|
|
|
Р.Ф.П. |
|
|
И.М-Ц. |
|
В.Р. |
|
Р.Ф.П. |
||||
|
n1 [И.Ф]**** |
1.458 |
|
|
1.56 |
|
|
1.55 |
|
1.458 |
|
1.51 |
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Параметры |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Вариант |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
6 |
|
|
|
7 |
|
|
|
8 |
|
|
9 |
|
|
10 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Диапазон |
|
1549,32 нм – |
|
|
|
1533,47 нм – |
|
|
1546,12 нм – |
|
1535,04 нм – |
|
1530,33 нм – |
||||
|
длин волн* |
|
1553,33 нм |
|
|
|
1542,94 нм |
|
|
1554,13 нм |
|
1557,36 нм |
|
1536,61 нм |
||||
|
fk, ГГц |
100 |
|
|
200 |
|
|
400 |
|
500 |
|
200 |
|
|||||
|
P0 (Дб)** |
21 |
|
|
19 |
|
|
25 |
|
18 |
|
24 |
|
|||||
|
Тип [И.Ф]*** |
|
И.М-Ц. |
|
|
|
В.Р. |
|
|
Р.Ф.П. |
|
И.М-Ц. |
|
В.Р. |
||||
|
n1 [И.Ф]**** |
1.5 |
|
|
1.458 |
|
|
1.59 |
|
1.52 |
|
1.458 |
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Параметры |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Вариант |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
11 |
|
|
|
12 |
|
|
|
13 |
|
|
14 |
|
|
15 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Диапазон |
|
1550,92 нм – |
|
|
|
1550,92 нм – |
|
|
1533,47 нм – |
|
1533,47 нм – |
|
1541,35 нм – |
||||
|
длин волн* |
|
1554,13 нм |
|
|
|
1560,61 нм |
|
|
1557,36 нм |
|
1557,36 нм |
|
1550,92 нм |
||||
|
fk, ГГц |
100 |
|
200 |
|
600 |
|
1000 |
|
200 |
|
|||||||
|
P0 (Дб)** |
23 |
|
20 |
|
18 |
|
19 |
|
24 |
|
|||||||
|
Тип [И.Ф]*** |
|
Р.Ф.П. |
|
|
|
И.М-Ц. |
|
|
В.Р. |
|
Р.Ф.П. |
|
И.М-Ц. |
||||
|
n1 [И.Ф]**** |
1.557 |
|
1.533 |
|
1.458 |
|
1.55 |
|
1.565 |
|
|||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
*– центральные максимумы первого и последнего канала;
**– уровень переходных помех, который должен обеспечивать демультиплексор.
72
***– тип демультиплексора, построенного на интерференционных фильтрах: И.М-Ц – Интерферометр Маха-Цендера, Р.Ф-П. – резонатор Фабри-Перро, В.Р. – волоконная решётка;
***– значение показателя преломления n1 для демультиплексора постро-
*енного на интерференционных фильтрах.
Исследование оптического демультиплексора, на основе интерференционного фильтра.
1.Определить угол падения светового пучка на фильтр, исходя из данной в задании схемы построения демультиплексора.
2.Рассчитать период структуры для всех тонкоплёночных фильтров, входящих
в демультиплексор и толщину фильтров для n=10-4, 3·10-4, 7·10-4 и 10-3. Толщину всех фильтров считать постоянной, равной толщине центрального
фильтра. Результаты расчёта для всех |
n занести в таблицу: |
|||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Параметр/ |
|
1 |
|
|
2 |
|
|
… |
|
|
n |
|
|
|
№ фильтра |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
λi |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
TF,i |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
LTF |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Исследование оптического демультиплексора, на основе фильтров Фабри-Перро.
1.Найти показатели преломления среды резонатора для каждого фильтра.
2.Оценить значение коэффициента отражения зеркал.
3.Оценить значение длины резонатора для центрального фильтра демультиплексора настроенного на отражение спектра с максимальной центральной длинной волны. Это значение будем считать постоянным для всех фильтров демультиплексора. Оно равно длине последнего фильтра. Все результаты расчёта занести в таблицу:
Параметр/ |
|
1 |
|
2 |
|
… |
|
n |
|
№ фильтра |
|
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
λi
n
RFP
LFP
4.2. Экспериментальное задание
Занести в расчётную программу количества каналов демультиплексора и центральные частоты, отражаемые фильтрами
Исследование оптического демультиплексора, на основе интерференционного фильтра.
73
1. Исследовать зависимость максимальных переходных помех (Pmax) от n. Для этого необходимо определить переходные помехи демультиплексора, при различных значениях n, вычисленных в расчётном задании (перед расчётом P, необходимо определить Δλ). Результаты занести в таблицу:
|
Параметр / n |
10-4 |
3·10-4 |
7·10-4 |
10-3 |
|
|
Δλ (нм) |
|
|
|
|
|
|
Pmax |
|
|
|
|
|
По таблице постройте зависимость Pmax( |
n). В отчёте, так же отобразите |
|||||
полученные графики аппаратных функции демультиплексоров и рассчитанные графики переходных помех, при различных значениях n. Объясните, чем вызвано различие в переходных помехах.
2. Найти оптимальную разницу показателей преломления, при которой максимальный уровень переходных помех будет равен P0±1дБ. Для этого, необходимо, на основе аппроксимации зависимости Pmax ( n) найдите такой n, который удовлетворял бы уравнению Pmax( n)=P0±1дБ. Обозначим его как
nopt.
3. Рассчитать конструкционные параметры фильтров, при nopt. На основе полученных параметров смоделировать аппаратную функцию демультиплексора и рассчитать переходные помехи. Результаты занести в таблицу:
Параметр / |
1 2 … |
n |
№ фильтра |
λi
nopt i
TF
LTF , int (n
2)
Δλ (нм)
Pi
В отчёте отобразите смоделированный график аппаратной функции демультиплексора и рассчитанный график переходных помех. Объясните, чем вызван полученный вид зависимости переходных помех от номера канала.
4.Для демультиплексора с оптимальными параметрами, пронаблюдать влияние всех соседних каналов на каждый канал в отдельности. Объясните, чем вызван полученный вид зависимости переходных помех от номера канала.
Исследование оптического демультиплексора, на основе фильтров Фаб- ри-Перро.
1.Исследовать зависимость переходных помех от коэффициента отражения зеркал. Для этого необходимо определить переходные помехи демультиплексора для двух центральных соседних каналов (каналы с номерами int(n/2) и int(n/2)+1) при RFP = 0.9, 0,95 и 0.99. Для каждого коэффициента отражения
74
рассчитать |
длину |
резонатора. Значение λ' при этом будет равно: |
λFSR = λFSR |
+ (1− R) |
FSR |
, где λFSR в микрометрах. Перед расчётом P, необходимо |
||
' |
2 |
|
определить Δλ. Результаты занести в таблицу:
Параметр / RFP 0.90 0.95 0.99
Δλ (нм)
LFP (мкм)
Pmax
По таблице постройте зависимость Pmax(RFP). В отчёте, так же отобразите полученные графики аппаратных функции демультиплексоров (только для двух исследуемых каналов) и рассчитанные графики переходных помех, при различных значениях R. Объясните, чем вызвано различие в переходных помехах и почему были взяты каналы с номерами int(n/2) и int(n/2)+1.
2.Найти оптимальный коэффициент отражения зеркал, при котором макси-
мальный уровень переходных помех будет равен P0±1дБ. Для этого, необхо-
димо, на основе аппроксимации (либо экстраполяции) зависимости Pmax(RFP) найдите такой RFP, который удовлетворял бы уравнению Pmax(RFP)=P0±1дБ. Обозначим его как RFP, opt.
3.Исследовать зависимость переходных помех от длины резонатора. Для этого необходимо определить переходные помехи демультиплексора для первого
и последнего канала при LFP=LFP, расчётное, LFP, расчётное – 10% и LFP, расчётно+
10%е (перед расчётом P, необходимо определить Δλ). Коэффициент отражения зеркал для всех LFP будет RFP, opt. Результаты занести в таблицу:
Параметр / LFP LFP, расчётное LFP, расчётное – 10% LFP, расчётное + 10%
Δλ (нм)
Pmax
По таблице постройте зависимость Pmax(LFP). В отчёте, так же отобразите полученные графики аппаратных функции демультиплексоров (только для первого и последнего каналов) и рассчитанные графики переходных помех, при различных значениях LFP. Объясните, чем вызвано различие в переходных помехах и почему были взяты каналы с первым и последним номерами.
4.Найти оптимальную длину резонатора для последнего фильтра, при котором
максимальный уровень переходных помех будет равен P0±1дБ. Для этого, необходимо, на основе аппроксимации (либо экстраполяции) зависимости
Pmax(LFP) найдите такую LFP, которая удовлетворяла бы уравнению Pmax(LFP)=P0±1дБ. Обозначим её как LFP, opt.
5.Рассчитать конструкционные параметры фильтров, при RFP, opt и LFP, opt. На основе полученных параметров смоделировать аппаратную функцию демультиплексора и рассчитать переходные помехи. Результаты занести в таблицу:
Параметр/ |
1 |
2 |
… |
n |
|
|
|
|
|
75
№ фильтра 
λi
n
RFP, opt
LFP, opt
В отчёте отобразите смоделированный график аппаратной функции демультиплексора и рассчитанный график переходных помех. Объясните, чем вызван полученный вид зависимости переходных помех от номера канала.
6.Для демультиплексора с оптимальными параметрами, пронаблюдать влияние всех соседних каналов на каждый канал в отдельности. Объясните, чем вызван полученный вид зависимости переходных помех от номера канала.
Заключительная часть
Сравнить переходные помехи обоих демультиплексоров. Сделать выводы о возможности построения демультиплексора на интерференционных фильтрах и фильтрах Фабри-Перро.
Содержание отчета
Отчет о проделанной работе должен содержать следующие разделы:
∙Цель работы.
∙Краткая теория.
∙Результаты работы – графики с краткими пояснениями полученных зависимостей.
∙Выводы по проделанной работе.
Контрольные вопросы
1Что такое волоконно-оптическая линия связи (ВОЛС). Изобразите обобщённую схему ВОЛС. Назовите основные элементы ВОЛС.
2Какие вы знаете виды оптических демультиплексоров. В чём достоинства и недостатки каждого из них?
3Как классифицируются оптические демультиплексоры?
4На каких длинах волн работают WDM и DWDM демультиплексоры?
5Назовите основные характеристики оптических демультиплексоров?
5.Описание программного обеспечения
«КОМПЬЮТЕРНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ОПТИЧЕСКИХ ДЕМУЛЬТИПЛЕКСОРОВ НА ОСНОВЕ ИНТЕРФЕРЕНЦИОННЫХ ФИЛЬТРОВ И ФИЛЬТРОВ ФАБРИ-ПЕРО»
Руководство пользователя
(Редакция от 12.10.2006)
76
1.Общее описание
1.1Функциональное назначение системы, область применения и ограничения
Компьютерная лабораторная работа «Исследование оптических демультиплексоров на основе интерференционных фильтров и фильтров Фабри-Перро» предназначена для расчета и оптимизации характеристик оптических демультиплексоров в учебных целях. Данная разработка может быть использована при обучении студентов технических вузов по направлению «Телекоммуникации», как в качестве лабораторной работы, так и в качестве инструмента для расчета и оптимизации данных демультиплексоров при курсовом проектировании во- локонно-оптических систем передачи со спектральным разделением (ВОСПСР), использующих демультиплексоры на основе интерференционных фильтров или фильтров Фабри-Перро в качестве одного из основных элементов.
Программное обеспечение представляет собой пакет программ генерации форм для задания параметров обоих демультиплексоров, отображения результатов расчета и вывода методических рекомендации по работе с гипертекстовой навигацией. Пакет включает 15 вариантов заданий для проведения лабораторных работ, а также прикладные программы по проведению необходимых вычислений, предусматривающих численный расчет преобразований, описывающих волновые процессы в интерференционных фильтрах и фильтрах Фаб- ри-Перро. В основу расчетов положены математические модели, описанные в [1]. Ограничения для модели, описывающей работу интерференционного фильтра, является одинаковая толщина всех слоёв и отсутствие обратного отражения, а для модели описывающей работу фильтра Фабри-Перро – нормальное падение света из торца оптического волокна на фильтр и отсутствие обратного отражения от фильтра. В п.2.2 приведена математическая модель, положенная в основу программного обеспечения.
1.2Краткое описание системы и ее технические характеристики
Компьютерная лабораторная работа, далее программа, представляет собой компьютерную программу, которая состоит из методического пособия (краткая теория с заданием на работу), входного теста и оболочки моделирования. Программа может функционировать под управлением операционных систем Windows всех поколений, начиная с Windows 95. Для нормального функционирования программы компьютер должен быть оснащен не менее чем 16 Мб оперативной памяти и не менее чем 6 Мб свободного места на жестком диске. Сама программа занимает около 0,25 Мб дисковой памяти. Программа не требует установки.
Оболочка моделирования построена по модальному принципу и предусматривает последовательное компьютерное моделирование каждого типа де-
77
мультиплексора с возможностью сравнения их работы по результатам вычисления перекрёстных помех. При этом предусмотрена регистрация студента и преподавателя для заполнения форм отчета, генерируемого по окончании работы в MS Word. Для осуществления допуска к оболочке моделирования предусмотрен автоматический тестовый контроль, выполняемый в отдельном окне.
1.3Запуск программы и выход из программы
Запуск программы осуществляется запуском файла EDFA.exe на выполнение, данный файл расположен в папке EDFA. После запуска на экране компьютера появляется главное окно программы «Компьютерное моделирование многоволнового эрбиевого волоконно-оптического усилителя» (далее по тексту описания данное окно называется Главное). Данное окно содержит главное меню и основные кнопки управления.Выход из программы осуществляется нажатием кнопки 
в верхнем правом углу окна «Главное».
2.Работа с программой
Вдальнейшем предполагается, что пользователь имеет определенные навыки работы в операционной системе Windows 95 или Windows 98.
При работе с программой для перемещения между полями ввода, и нажатий на кнопки удобней всего использовать манипулятор "мышь".
Втом же окне предусмотрена возможность ввода Ф.И.О. студента и преподавателя для заполнения форм отчета, генерируемого по окончании работы в MS Word. Также можно выбрать вариант и номер стартового пункта работы. Всего работа содержит 20 вариантов заданий по 8 пунктов.
Всоответствии с выполняемым пунктом задания, текст которого загружается при выборе варианта и номера пункта автоматически, исполнителю необходимо ввести исходные параметры расчета:
Оболочка моделирования построена по модальному принципу и предусматривает последовательное компьютерное моделирование каждого типа демультиплексора с возможностью сравнения их работы по результатам вычисления перекрёстных помех. При этом предусмотрена регистрация студента и преподавателя для заполнения форм отчета, генерируемого по окончании работы в MS Word. Для осуществления допуска к оболочке моделирования предусмотрен автоматический тестовый контроль, выполняемый в отдельном окне.
Для моделирования демультиплексоров исполнителю необходимо ввести исходные параметры:
6)информационных сигналов:
−число оптических каналов (1-150);
−центральные длины волн каналов (1400нм - 1600нм)
7)интерференционных фильтров: показатели преломления периодической структуры, толщина и период структуры, угол падения света из торца оптического волокна на мультиплексор, полоса пропускания.
78
8) фильтров Фабри-Перро: показатель преломления, коэффициент отражения зеркал, толщина структуры, полоса пропускания.
Для заданных параметров производится расчет следующих характеристик для каждого демультиплексора:
5)график аппаратной функции (для интерференционного фильтра - зависимость коэффициента отражения от длины оптической волны, для фильтра Фабри-Перро - зависимость коэффициента прохождения от длины оптической волны);
6)график и таблица перекрёстных помех (зависимость перекрёстных помех от номера канала).
Настройка фильтра на заданную длину волны производится визуально по графику аппаратной функции, путём изменения внутренних параметров.
Пакет программ также позволяет осуществить оптимизацию внутренних параметров любого из исследуемых демультиплексоров для достижения заданного уровня перекрестных помех.
По результатам расчета заполняются таблицы с информацией, требуемой
взадании к выполняемому пункту. После выполнения пункта программа строит необходимые графики в отдельном окне, где также есть возможность для записи выводов по проделанному пункту и перехода к выполнению следующего пункта.
При возвращении к выполнению пункта, который был уже сделан, данные в таблицах с информацией, требуемой в задании к этому пункту, и выводы по нему сохраняются в последней редакции исполнителя. Однако при выходе из программы данные о выполнении работы сохраняются только в графическом виде в формате *.emf в поддиректории с названием выполняемой работы в каталоге «Мои документы». При этом сохраняются только те графики, которые необходимы для оформления отчета по работе.
После выполнения последнего пункта задания или по желанию исполнителя в любой момент выполнения работы происходит генерация отчета по форме, принятой в вузе-разработчике программы, включающей информацию об исполнителе работы, требуемые в задании графики (полученные в результате выполнения работы), а также выводы, написанные исполнителем по каждому пункту.
После генерации отчета работа заканчивается. Для выполнения новой работы (другого варианта) необходимо выйти из программы и запустить ее заново.
Далее более подробно остановимся на программных окнах.
2.1Главное окно
Вглавном окне (рисунок 2.1) осуществляется ввод данных и расчёт параметров каждого демультиплексора. Оно состоит из:
∙файлового меню, где отображаются все функции программы;
∙панели инструментов, где дублируются некоторые важные элементы файлового меню;
79
∙закладок вида моделирования;
∙панелей ввода основных параметров демультиплексора;
∙области построения графиков.
Так же, при загрузке приложения, появляется окно помощи, где отображаются подсказки по выполняемому пункту лабораторной работы.
Рисунок 2.1 – Главное окно программы.
Главное меню состоит из двух разделов: Файл, Работа и Помощь. Рассмотрим пункты каждого раздела.
Файл
|
|
|
|
|
|
Замена исходных данных, данными по умолча- |
|
|
|
|
|
||
|
|
|
Новый |
|
|
нию. |
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
Открыть файл с исходными данными. * |
Открыть файл |
|
|
|
Сохранить файл |
Сохранить исходные данные в файл. * |
|
|
|
|
|
|
Отчёт в MSWord |
Импортировать результаты |
моделирования |
в |
приложение MSWord. |
|
|
|
|
Параметры, отвечающие за внешний вид ото- |
||
Параметры графиков |
бражаемых графиков. |
|
|
* Файл с данными имеет расширение .wdg. |
|
|
|
Работа
|
|
|
|
Пособие |
|
Электронный вариант учебного пособия. |
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Тестирование |
|
Прохождение теста. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Обновить весь |
|
Пересчитать текущий график по всему диапа- |
|
|
|
|
|
зону. |
|
|
|
|
|
диапазон |
|
|
80